El desarrollo de transistores de potencia para aplicaciones de alta tensión requiere materiales con banda prohibida ancha y alta rigidez dieléctrica crítica. El β-Ga2O3 monoclínico destaca por su banda prohibida de unos 4,8 eV y un campo crítico calculado de hasta 8 MV/cm, lo que lo convierte en una plataforma prometedora para la electrónica de potencia. Sin embargo, los canales uniformemente dopados en estos transistores sufren una disyuntiva entre movilidad y espesor: para lograr una alta movilidad se necesita un dopaje débil, pero entonces el canal debe ser grueso, lo que aumenta la longitud de puerta y acentúa los efectos de canal corto. El dopaje modulado en heteroestructuras de β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 resuelve este problema formando un gas de electrones bidimensional de alta movilidad sin impurezas ionizadas en el canal. Anteriormente, estas estructuras se estudiaban principalmente para aplicaciones de radiofrecuencia, mientras que su potencial para operación a alta tensión apenas se había explorado. Este trabajo llena ese vacío al demostrar una tensión de ruptura récord para transistores de dopaje modulado sobre óxido de galio.
Las heteroestructuras se cultivaron mediante deposición química de vapor con precursores metalorgánicos (MOCVD) en un reactor Agnitron Agilis 100 sobre sustratos de β-Ga2O3 dopado con Fe y orientación (010). Primero se depositó una capa amortiguadora de β-Ga2O3 sin dopar de aproximadamente 100 nm de espesor; luego un espaciador de β-(Al0.19Ga0.81)2O3 de 5 nm; después se introdujo un dopaje δ con silicio a una dosis de 1 nmol y se cultivó una capa barrera de β-(Al0.19Ga0.81)2O3 de 20 nm. Para formar los contactos de fuente y drenador se realizó un grabado hasta una profundidad de 80 nm a través de una máscara de SiO2 para exponer el canal, y luego se volvió a crecer β-Ga2O3 fuertemente dopado n++ de 120 nm de espesor. Los contactos de Ti/Ni se depositaron por evaporación con haz de electrones y se sometieron a recocido a 470 °C. El aislamiento de las regiones activas se realizó mediante grabado por plasma, y para suprimir la fuga de puerta se depositó una capa de Al2O3 de 9 nm mediante deposición de capas atómicas asistida por plasma. La puerta de Ni de 120 nm se formó por evaporación, y luego el dispositivo se pasivó con una capa de SiNx de 250 nm depositada a 350 °C. Las mediciones de tensión de ruptura se llevaron a cabo en líquido Fluorinert para evitar la ruptura superficial en aire.
Las mediciones Hall del canal mostraron una densidad de portadores de 3,2×10¹² cm⁻², una movilidad de 132 cm²/V·s y una resistencia de hoja de 14,8 kΩ/cuadrado. El transistor con dimensiones LGS/LG/LGD = 1,5/2/3 μm presentó una tensión umbral de −0,7 V, una pendiente subumbral de 94 mV/década, una relación de corrientes ION/IOFF superior a 10⁸ y una corriente de fuga en estado apagado inferior a 1,5×10⁻¹⁰ A/mm. La corriente máxima de drenador alcanzó 54 mA/mm, y la resistencia en estado encendido fue de 149 Ω·mm. La tensión de ruptura aumentó monótonamente con la distancia puerta-drenador: desde 545 V con LGD = 3 μm hasta 6,6 kV con LGD = 28 μm. El campo eléctrico lateral medio se saturó en torno a 2,4 MV/cm para LGD > 13 μm. La resistencia específica en estado encendido para el dispositivo con LGD = 28 μm fue de 196 mΩ·cm², lo que arrojó una figura de mérito de potencia de 222 MW/cm², un récord para MODFET de β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3. La simulación electrostática bidimensional para LGD = 13 μm a una tensión de 3 kV mostró que el campo máximo se localiza en el borde de la puerta y alcanza 12 MV/cm en la capa barrera, lo que indica la posibilidad de mejoras adicionales mediante técnicas de gestión de campo.
Este trabajo demuestra que las heteroestructuras moduladas de β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 pueden soportar tensiones de varios kilovoltios sin necesidad de placas de campo ni terminación de borde. Esto lo diferencia de estudios vecinos que se centraban en las propiedades de radiofrecuencia de estos MODFET o en transistores de alta tensión con canales uniformemente dopados, donde se requerían métodos complejos de gestión de campo. Aquí, la tensión de ruptura récord se logra gracias al propio material y a la arquitectura con gas de electrones bidimensional, lo que simplifica el diseño y abre el camino hacia la escalabilidad. El resultado sitúa a los MODFET de β-Ga2O3 a la altura de los mejores transistores laterales de óxido de galio y confirma su potencial para la electrónica de potencia de próxima generación.
El desarrollo futuro puede pasar por la integración de placas de campo y la optimización de la terminación de borde para acercar el campo de ruptura medio al límite teórico del β-Ga2O3 (8 MV/cm). La mejora de la calidad de la heteroestructura, por ejemplo, reduciendo la conductividad paralela en la capa con dopaje δ, permitirá aumentar la movilidad del gas de electrones bidimensional y reducir la resistencia del canal. También es prometedor escalar la longitud de puerta para disminuir la resistencia específica en estado encendido manteniendo una alta tensión de ruptura. El estudio de la fiabilidad de los dispositivos bajo operación prolongada a alta tensión será un paso importante hacia la aplicación práctica.
Los resultados influirán en el desarrollo de convertidores de potencia, inversores para vehículos eléctricos, sistemas de transmisión de energía y fuentes de alimentación conmutadas, donde se requieren dispositivos compactos con tensiones de ruptura de varios kilovoltios.
Los próximos pasos incluyen la incorporación de placas de campo para suprimir el campo máximo en el borde de la puerta, la optimización del perfil de dopaje δ para aumentar la movilidad y la realización de pruebas de fiabilidad a altas tensiones y temperaturas.
En el campo de la electrónica de potencia basada en óxido de galio sigue sin resolverse el problema de alcanzar una alta tensión de ruptura junto con una baja resistencia específica en estado encendido. Este trabajo muestra que el dopaje modulado puede mitigar esta disyuntiva, pero el campo máximo en el borde de la puerta aún limita el campo de ruptura medio, lo que requiere más investigaciones sobre la gestión del campo eléctrico.
La tensión de ruptura de 6,6 kV es suficiente para la conmutación directa en redes de distribución de media tensión, que normalmente operan a 4–35 kV, y el propio dispositivo tiene solo 100 μm de ancho.